新型風光互補型智慧路燈的設計研究

解榮杰，董瓊蔚，殷煜欽，林彬彬，溫 成

中國礦業大學徐海學院，江蘇 徐州 221000

0 引言

近幾年“智慧城市”的理念逐漸興起。隨著“碳達峰，碳中和”等觀念的深入人心，節能與智能的結合已是大勢所趨。市場上以新能源為動力的汽車、電液混動的大型貨車等交通工具逐步取代以汽油、柴油為動力的汽車。在眾多清潔能源中，電能占據了相當大的一部分。根據調研結果，目前電能的主要生產方式仍以火力發電為主，占據發電總量的40%。火力發電污染嚴重，與“碳達峰，碳中和”的理念背道而馳，需要尋找新型的電能生產方式。文章基于以上理念提出風光互補型智慧路燈。

通過對比目前已有的風能、光能的收集方式，發現大型風力發電機多位于山頂、野外等空曠地帶。城市地價較高，使用大型設備不切合實際，浪費資源。因此采用占地面積較小的垂直式葉片來收集城市中的風能，為周圍小型設施，如路燈、小型無人售貨機、共享電車充電樁等供電。同時，借助位于路燈頂端的光伏板收集城市光能，達到節能減排的目的。

1 研究背景

全球氣候變化和人類活動的關系已成為當今國際的焦點問題，關系到各個國家的切身利益與經濟發展，采取措施應對氣候變化已刻不容緩。如何實現“碳達峰，碳中和”，實現城市能源自循環、城市自然能源的充分利用成為目前急需解決的問題[1]。

在物聯網階段，各種智能設備對網絡的需求越來越大，為了實現城市智能設備實時聯網，網絡基站建設成為一個難題。為了在不占用城市面積、避免大幅度改動已建設施的同時，充分收集城市中的清潔能源，文章將重點放在了城市中最常見的路燈上，通過模塊化修改路燈結構，為城市清潔能源的收集以及物聯網的構建提供基礎。

2 新型風光互補型智慧路燈整體設計方案

2.1 各系統設計方案

風光互補智慧路燈主要由光能發電系統、照明系統、風力發電系統及監控系統組成。

2.1.1 光能發電系統

光能發電系統采用太陽能光伏板發電，通過穩壓電路過濾不穩定的電能，路燈芯桿與底端電控箱相連。考慮到城市中部分路段（如市區中心、高層小區）的光能覆蓋率較低，若每支路燈均安裝光能發電系統則會徒增成本，出于對經濟性的考慮，光能發電系統使用模塊化設計，在光照充足的路段安裝光伏板，而在光照條件較差的路段可安裝小型風力發電機，對高空中的風能進行回收，以補償光能發電的電能。

2.1.2 風力發電系統

風力發電機由葉片及葉片輪組成。葉片通過軸承安裝在葉片輪上，葉片輪將動力傳遞至旋轉架，再通過旋轉架底端的齒輪傳遞至旁側的齒輪軸上，實現動力傳遞的同時，也實現了一級增速。齒輪軸帶動小皮帶輪，通過皮帶傳動將動力傳遞至電機。采用皮帶輪傳動的主要原因如下。

（1）在工人師傅安裝時，不需要過多考慮路燈的垂直度，路燈在長時間使用或遭受極端天氣（如臺風、暴雨暴雪等）后發生輕微傾斜也不會影響發電機的正常工作。一方面減輕維修工人的工作量，另一方面也降低維護成本。

（2）皮帶輪傳動相對于齒輪傳動有較長的傳動距離，齒輪傳動有著較為嚴格的嚙合要求，對安裝要求極高。且齒輪不宜在潮濕的環境下工作，在長時間使用后可能會生銹，進而影響傳動效率。同時長距離傳動齒輪嚙合對數較多，再加上軸承等其他零件影響傳動效率，導致齒輪傳動的成本太高。而皮帶輪傳動具有運行平穩、噪音低、兩軸中心距調節范圍大等優點。同時在過載時皮帶傳動具有過載保護的功能，保護系統安全。

（3）皮帶輪傳動對工作環境沒有太高要求，對于潤滑等要求較低，適合路燈底端較為潮濕的環境。

2.1.3 照明系統

照明系統由單片機控制，照明亮度根據亮度傳感器自動調節，在特殊天氣下可依據環境改變燈光顏色，增強光線的穿透能力。同時，路燈系統接受中央開關的統一控制，在特殊情況下可通過市政公用事業部門集中調控。照明系統中每一側的路燈與燈桿都為一個獨立的模塊（以下簡稱照明模塊），照明模塊與燈桿通過螺栓固定，線路通過過渡接頭與燈桿相連，便于安裝與維護。同時針對不同的照明需求可自行設計其他燈桿外觀或更換燈泡型號，實現路燈的多樣化。照明模塊的接口為通用接口，在非照明段也可安裝小型風力發電機模塊或光伏發電機模塊，提高發電效率。照明系統主要控制模塊包括路燈頂端Wi-Fi 模塊、光伏板轉向架模塊、光照環境檢測模塊、燈具亮度調節模塊、防過載剎車模塊、電壓穩壓模塊、電能分配模塊與監控系統控制模塊等。Wi-Fi 模塊能夠為以路燈為中心的所有無人智能設備提供網絡覆蓋，不需要再拉網線或再占用空間建立無線網絡基站，也為日后物聯網的搭建構建基礎。

2.1.4 監控系統

監控系統安裝于路燈頂端，便于實時監控緊急情況。路燈底部通過線纜將緊急通報按鈕安裝在人行道旁邊，按下按鈕后可與服務人員溝通，匯報緊急情況。同時每個路燈均有獨立的IP 地址，可快速定位路燈所在位置以實施幫助和救援。每隔一個路燈安裝一個液晶顯示器，在平時可做投遞廣告、宣傳所用，實現經濟價值；在緊急時可在顯示屏中實時切換事故路段的監控，將顯示屏調整為紅色，提示當前路段發生事故，同時由道路最外端的顯示屏提示當前道路擁堵，選擇繞行等信息，及時為道路上的所有司機提供路段信息，協助交警、救護人員疏通緊急通行車道，提高救援效率。在濃霧天氣時，可調整顯示屏顏色為紅光，紅光具有較強的穿透能力，可幫助司機看清道路邊緣，防止車輛發生事故，同時提示司機慢行，保證交通的安全性。針對道路中的不文明行為（行人橫穿馬路、非機動車占用車道等）進行抓拍監視，若有事故發生，則可以為事故處理提供依據。

2.2 系統層級設計

系統基于太陽能、風能設計，主要功能包括新能源獲取后的轉化與存儲?？刂撇糠址譃閼脤印⑵脚_層、網絡層、設備層四個層級。在應用層中，多功能路燈系統應接入智慧城市管理平臺；平臺層采用垂直架構，使用統一平臺打通應用層和網絡層，實現管理平臺對運營網絡的調度；之后通過運營商網絡及智能網關管理多功能路燈及其設備層，實現能量調度與信息分配。

2.2.1 各層級電路實現

（1）交流電能的產生。四個層級通力配合，實現太陽能、風能的收集、監控與調度。將太陽能、風能轉換成統一的直流電能，再進行存儲或逆變成穩定的交流電能。

（2）電能的存儲。電能的存儲依靠位于路燈底端的電控箱內的鋰電池。在電控箱的控制下，蓄電池供電與電網供電相互補充。在長時間無風或無光的環境中，將使用傳統的電網供電，以保證基礎設計的正常使用。

（3）負載供電。負載供電可通過電池直接供電，也可使用逆變電路供電。在將來實現并網功能，建立多能互補發電系統。系統可實現太陽能、風能等多能互補供電，各個能源經過各自的能源轉換裝置和AC-DC、DC-DC 變換電路對電能進行轉換和存儲。

2.2.2 電能轉換電路詳細設計

（1）能源轉換和電能變換電路總體設計。太陽能直接經過DC-DC 斬波器轉換；風能獲取的電能需要經過AC-DC 整流器整流，然后再經過DC-DC 斬波器，經過整流和斬波器得到穩定的直流電能最終匯入直流母線，用于后續電能的存儲和負載供電。系統采用單輸入AC-DC，C-D 變換電路，每種新能源電能變換單獨控制[2]。

（2）蓄電池充電電路原理及充電方式。在設計風光互補發電系統的電能存儲及充電電路過程中，采用兩種充電電路。①運用半橋式蓄電池組充電電路，將電路直接接在直流母線上，直接獲取直流母線上的電能。然后單方向為蓄電池組充電，在后面添加逆變電路即可為交流負載供電。②運用電流可逆斬波充電電路，使蓄電池直流母線隔離，由直流母線通過逆變電路為負載雙向供電[3]。

3 新型風光互補型智慧路燈詳細設計

3.1 路燈控制模塊設計

路燈控制模塊選用基于51 架構的，支持ZigBee無線通信的CC2530 作為主控芯片，通過無線通信模塊進行通信，以實現更高的集成度。采用光照傳感器及紅外傳感器輔助判斷的方法，采集環境亮度采集和燈亮度，并將數據上傳至服務器，之后總控器依據數據判斷各個燈所在環境的亮度來決定是否通過ZigBee 網絡開啟路燈[4]。

3.2 機械部分設計

機械部分主要結構為葉輪旋轉部。整體路燈結構從上至下分為三個主要部分：燈桿固定部、葉輪旋轉部和底端固定部。燈桿固定部與葉輪旋轉部連接方式如圖1 所示。

圖1 燈桿固定部與葉輪旋轉部連接示意圖

3.2.1 燈桿固定部

燈桿固定部從外至內結構分別為燈桿、燈桿安裝部、芯桿，Wi-Fi 模塊安裝與芯桿頂端。燈桿通過螺栓安裝在燈桿固定部，芯桿貫穿整個路燈，將燈桿固定部與地面固定在一起。芯桿為管狀結構，路燈上部所有線路經芯桿傳遞至路燈底部的電控箱內。

3.2.2 葉輪旋轉部

葉輪旋轉部從外到內的結構為葉片安裝輪、空心旋轉軸、芯桿。空心旋轉軸的上下均通過推力球軸承與燈桿固定部、底端支撐部相連。動力傳遞路線如下：道路兩側行駛車輛帶動的風能或自然風能驅動葉片旋轉，葉片與葉輪通過螺栓連接；葉輪與空心旋轉軸通過焊接固定在一起，動力由葉輪傳遞至空心旋轉軸上。空心旋轉軸下端壓在推力球軸承上，同時空心旋轉軸下端的一部分穿過軸承，進入底端固定部。這一部分的外環固定有外齒環，而外齒環與安裝在底端固定部上的小齒輪嚙合，將動力傳遞到旁邊的軸上。在軸的下端安裝有皮帶輪，動力再由皮帶輪傳遞至點機上，以此實現動力的傳遞，也為芯桿中的導線提供出口。

3.2.3 底端固定部

底端固定部外側為保護殼，起到防潮、防腐蝕的作用。內部設小齒輪軸，通過小齒輪與外齒環的嚙合，將動力傳導至齒輪軸上。齒輪軸下端安裝皮帶輪，通過皮帶傳動將動力傳遞至電機上，同時實現二級變速。底端固定部如圖2 所示。

圖2 底端固定部示意圖

4 結束語

文章設計了一種風光互補型智慧路燈，應用了網絡通信技術和數字裝備，可以實現節能減排經試驗證明，該路燈可以實現太陽能與風能的互補，保證了城市供電的穩定性?？梢栽趯氋F的城市土地資源中充分利用城市中的自然能源，達到節能環保、美化環境的目的。路燈內置的Wi-Fi 模塊可以為未來搭建城市物聯網奠定基礎。